(57)【要約】    【課題】磁気抵抗効果再生ヘッドおよび磁気トンネル接合装置において、２層の強磁性層間における反強磁性交換結合を強くする反強磁性結合（ＡＦＣ）材料が望まれている。    【解決手段】磁気抵抗効果再生ヘッドおよび磁気トンネル接合装置に組み込まれる積層構造は、改良された反強磁性結合(ＡＦＣ)膜に対して反強磁性的に結合された２層の強磁性層の強磁性構造を有する。ＡＦＣ膜は、Ｒｕ１００−ｘＦｅｘの合金であり、ｘは、約１０原子パーセントと約６０原子パーセントの間にある。このＡＦＣ膜は、交換結合を２倍まで大きくし、かつＣｏ合金強磁性層に対する適応を可能とするｈｃｐ結晶構造を有する。【選択図】図５
2005019990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性的に結合された第１の強磁性膜および第２の強磁性膜と、前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜の間に配置された反強磁性結合膜とを有し、前記反強磁性結合膜は、ＲｕおよびＦｅを含む合金から形成されてなることを特徴とする磁気装置。
【請求項２】
前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜は、それぞれ、Ｃｏを含む合金から形成されてなることを特徴とする請求項１記載の磁気装置。
【請求項３】
ＲｕおよびＦｅを含む前記合金は、本質的にＲｕおよびＦｅからなり、かつＲｕ１００−ｘＦｅｘの組成を有する合金であり、ｘは、約１０原子パーセントと約６０原子パーセントの間にあることを特徴とする請求項１記載の磁気装置。
【請求項４】
所定の範囲内の磁界がないときに好適な方向に固定された磁気モーメントを有する強磁性固定層と、
所定の範囲内の磁界があるときに、前記強磁性固定層の前記磁気モーメントに対して自由に回転する磁気モーメントを有する強磁性自由層と、
前記強磁性固定層および前記強磁性自由層の間で接触するように配置された非磁性スペーサ層と、を有し、
前記強磁性固定層および前記強磁性自由層の少なくとも一方は、反強磁性的に結合された第１の強磁性膜および第２の強磁性膜と、ＲｕおよびＦｅを含む反強磁性結合膜とを有することを特徴とする磁気装置。
【請求項５】
前記磁気装置はスピン・バルブ磁気抵抗効果センサであり、前記非磁性スペーサ層は導電性金属材料から形成されてなることを特徴とする請求項４記載の磁気装置。
【請求項６】
前記磁気装置は磁気トンネル接合装置であり、前記非磁性スペーサ層は電気絶縁材料から形成されてなることを特徴とする請求項４記載の磁気装置。
【請求項７】
基板と、
前記基板上に形成され、かつ、印加磁界ないときに好適な方向に固定された磁化方向を有する強磁性固定層と、
前記強磁性固定層と接触した非磁性金属導電性スペーサ層と、
前記非磁性金属導電性スペーサ層と接触し、かつ、前記強磁性固定層の前記磁化方向に対して自由に回転する磁化方向を有する強磁性自由層と、を有し、
前記強磁性固定層および前記強磁性自由層の少なくとも一方は、
反強磁性的に結合された第１の強磁性膜および第２の強磁性膜と、
前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜の間で接触するように配置された反強
磁性結合膜と、を有し、
前記反強磁性結合膜は、前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜がそれらの磁気モーメントが反平行を向いた状態で結合するのに十分な膜厚を有し、
前記反強磁性結合膜は、本質的にＲｕおよびＦｅからなる材料から形成され、かつ、Ｒｕ１００−ｘＦｅｘの組成を有し、ｘは、約１０原子パーセントと約６０原子パーセントの間にあることを特徴とする磁気抵抗効果スピン・バルブ・センサ。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成され、かつ、印加磁界ないときに好適な方向に固定された磁化方向を有する強磁性固定層と、
前記強磁性固定層と接触したトンネル・バリア絶縁層と、
前記強磁性固定層の前記磁化方向に対して自由に回転する磁化方向を有し、かつ、前記トンネル・バリア絶縁層と接触した強磁性検知層と、を有し、
前記強磁性固定層および強磁性検知層の少なくとも一方は、
反強磁性的に結合された第１の強磁性膜および第２の強磁性膜と、
前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜の間で接触するように配置された反強
磁性結合膜と、を有し、
前記反強磁性結合膜は、前記第１の強磁性膜および第２の強磁性膜がそれらの磁気モーメントが反平行を向いた状態で結合するのに十分な膜厚を有し、
前記反強磁性結合膜は、本質的にＲｕおよびＦｅからなる材料から形成され、かつ、Ｒｕ１００−ｘＦｅｘの組成を有し、ｘは、約１０原子パーセントと約６０原子パーセントの間にあることを特徴とする磁気トンネル接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反強磁性結合（ＡＦＣ）膜によって反強磁性的に交換結合された強磁性層を用いた磁気装置に関する。これらの装置としては、磁気記録ディスク、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づいた磁気抵抗効果再生ヘッド、および、磁気記憶素子および磁気抵抗効果再生ヘッドとして用いられる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）装置がある。
【０００２】
本出願は、磁気装置を磁気抵抗効果再生ヘッドおよびＭＴＪ装置としてクレームするものであり、係属中の同時出願は、磁気装置を磁気記録ディスクとしてクレームするものである。
【背景技術】
【０００３】
ＡＦＣ膜によって分離された少なくとも２層の強磁性層を使用した磁気記録ディスクが、米国特許第６２８０８１３号明細書に記載されている。本特許は、参照して本出願に引用する。ルテニウム（Ｒｕ）は、強磁性層におけるコバルト（Ｃｏ）合金材料と同じ六方最密（ｈｃｐ）結晶構造を有し、かつ最も強いといわれている交換結合を有しているので、ＡＦＣ膜に好適な材料である。
【０００４】
スピン・バルブ（ＳＶ）ＧＭＲ再生ヘッドは、非磁性金属導電スペーサ層、一般的には銅（Ｃｕ）によって分離された２層の非結合強磁性層を有するサンドイッチ構造であり、２層の強磁性層のうちの１層における磁化方向（磁気モーメント）は固定されているが、自由強磁性層すなわちセンス強磁性層における磁化方向は自由に回転する。基本的なＳＶ磁気抵抗効果センサについては米国特許第５２０６５９０号明細書に記載されている。
【０００５】
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）装置は、一般にアルミナからなるトンネル・バリア層と称される非磁性電気絶縁層によって分離された２層の強磁性層を有している。２層の強磁性層のうちの１層は、固定層であって、その磁化方向は、層面内に配向されているが、印加磁界があるときに回転できないように固定されている。強磁性固定層は界面交換バイアスによって隣り合った反強磁性層に固定できるが、強磁性自由層は固定層の磁化方向に対して回転可能な磁化方向を有している。トンネル・バリア絶縁層を介して直交するように流れるトンネル電流は、２層の強磁性層の相対的磁化方向によって変化する。ＭＴＪ装置は、磁気記憶アレイにおける記憶素子として、また、磁気記録装置における磁気抵抗効果再生ヘッドとしての用途がある。
【０００６】
ＳＶ磁気抵抗効果センサおよびＭＴＪ装置は、強磁性自由層と強磁性固定層の一方あるいは両方を、ＡＦＣ膜によって反平行の向きに反強磁性交換結合された２層の強磁性膜を有する積層構造体と交換することによって改良されてきた。この積層構造体は、磁気的に強固なので、強磁性層として用いられるとき、２層の反平行膜は一緒に回転する。これらの改良されたＳＶセンサは、米国特許第５４０８３７７号および第５４６５１８５号明細書に記載されており、これらは参照としてここに引用される。また、ＭＴＪ装置は、米国特許第５８４１６９２号および第５９６６０１２号明細書に記載されているように、この種の積層構造体を自由層および固定層と換えることによって改良されてきた。これらの特許は、ここに参照として引用される。
【０００７】
Ｒｕも、ＳＶセンサおよびＭＴＪ装置に使用されるこれらの積層構造体におけるＡＦＣ膜にとって好適な材料である。Ｒｕは、非常に薄いＡＦＣ膜の制限下において強い反強磁性結合を発揮し、また、コバルト（Ｃｏ）、コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）、およびニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）の強磁性膜間において非常に強い反強磁性結合を発揮する。この強磁性膜は積層構造の反平行配向強磁性膜の対を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
磁気装置のある用途においては、反強磁性交換結合強度をＲｕによって得られるものよりも大きくすることが望ましい。これは、合金強磁性層のモーメントが大きくなると、反強磁性交換結合が強くなることが知られている磁気抵抗効果再生ヘッドおよびＭＴＪ装置を用途とする場合である。したがって、磁気抵抗効果再生ヘッドおよびＭＴＪ装置における交換結合を大きくするための一つの方法は、高モーメント強磁性材をＡＦＣ膜と強磁性層の界面に加えることである。しかしながら、この方法は、磁気抵抗効果再生ヘッドおよびＭＴＪ装置にさらなる層を付加する必要があり、また、固有のノイズを増加させることがある。
【０００９】
要求されるものは、強磁性層間における反強磁性交換結合を強くするＡＦＣ膜の材料である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、改良されたＡＦＣ膜と反強磁性的に結合された２層の強磁性層の強磁性構造を有する磁気装置である。ＡＦＣ膜は、Ｒｕ１００−ｘＦｅｘの合金であり、ｘは、約１０原子パーセントと約６０原子パーセントの間である。このＡＦＣ膜は、交換結合を２倍まで大きくし、かつＣｏ合金強磁性層との適合が可能なｈｃｐ結晶構造を有する。
【００１１】
本発明の本質および利点をより完全に理解するためには、下記の詳細な説明とこれに伴う添付図を参照すべきである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＡＦＣ膜と反強磁性的に結合された２層の強磁性層を有する磁気装置において、強磁性層間における反強磁性交換結合を強くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
〈反強磁性結合磁気記録ディスク〉
図１は、ＡＦＣ膜１６によって分離された２層の強磁性膜１２、１４を有する典型的な反強磁性結合磁気記録ディスク１０を示す図である。強磁性膜１２、１４は、典型的には、ＣｏＰｔＣｒＢのようなＣｏ合金からなり、ＡＦＣ膜は、典型的にはＲｕである。Ｒｕ・ＡＦＣ膜１６の膜厚は、隣り合った強磁性膜１２、１４のそれぞれの磁気モーメント２２、２４が、Ｒｕ・ＡＦＣ膜１６を介して反強磁性的に交換結合され、かつ零磁界において反平行となるように、選択される。強磁性膜１２、１４は、それぞれ、磁気モーメント値Ｍｒ１ｔ１、Ｍｒ２ｔ２を有している。ここで、Ｍｒは残留磁化であり、ｔは膜厚である。隣り合う強磁性膜１２、１４のそれぞれの磁気モーメント２２、２４の向きは、反平行に配置され、そのため、相殺するように加えられて、複合層１０の磁気モーメントが減少する。矢印２２、２４は、ＡＦＣ膜１６の直上直下にある各磁区の磁気モーメントの向きをそれぞれ示している。
【００１４】
図２は、図１に示されたものと同様の反強磁性結合磁気記録ディスクにおける主ヒステリシス・ループを示す図である。水平の矢印の組は、ヒステリシス・ループの異なる点における強磁性膜１２、１４の向きを示している。印加磁界は正方向（矢印３０、３２）に増加する。印加磁界が大きい場合、反強磁性結合は打ち負かされて、２層の強磁性膜１２、１４の磁気モーメントは、両方とも印加磁界（矢印４２、４４）に対して平行となる。印加磁界が減少するのに伴い（矢印３４）、裏面側のより薄い強磁性膜１４の磁気モーメントは逆転し、表面側のより厚い強磁性膜１２の磁気モーメントに対し、かつ印加磁界に対して反平行となり（矢印５２、５４）、ネット・モーメントが低下する。この転換は、Ｒｕ・ＡＦＣ膜１６を介した結合によって生じる、裏面側強磁性膜１４の作用を受ける交換磁界（Ｈｅｘ）において大体発生する。強磁性膜１２、１４を反平行に配置するためには、交換磁界が、裏面側強磁性膜１４の磁化を反転するのに必要な強制磁界に勝ることが必要である。
【００１５】
また、米国特許出願公開第２００２／００９８３９０号明細書に記載されているように、ＡＦＣ膜１６を有する反強磁性結合膜１２、１４を積層反強磁性結合磁気記録ディスクに組み込んでもよい。なお、上記米国出願は、参照としてここに引用される。このような積層ディスクの場合、反強磁性磁気結合をもたらさない非磁性スペーサ膜を上部強磁性膜１２の上に配置し、また、第３の強磁性膜をこの非磁性スペーサ膜の上に配置する。
〈スピン・バルブ磁気抵抗効果センサ〉
強磁性自由層および強磁性固定層としての反強磁性結合強磁性積層膜を有するＳＶ磁気抵抗効果センサを図３に概略的に示す。この構造は、基板６１上に形成されたバッファ層６２としてのタンタル（Ｔａ）膜を有している。積層強磁性自由層９０は、Ｒｕ・ＡＦＣ膜９３によって分離された強磁性ＮｉＦｅ（パーマロイ）膜９２、９４からなる。強磁性膜９２、９４は、それぞれ、紙面に向かう矢印９５と、紙面から離れる矢印９６によって示されるような、反平行に配置された磁気モーメントを有している。
【００１６】
Ｃｕ層６５が強磁性自由層９０の上に形成されて非強磁性金属スペーサ層として作用し、スピン・バルブ構造をなしている。Ｃｕが示されているが、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、およびそれらの合金類のような、高導電性の他の非強磁性金属材料を使用することができる。強磁性固定層７０も積層構造を有しており、この積層構造は、Ｃｕスペーサ層６５の上に直接形成された第１の強磁性膜７２、この膜７２の上に形成されたＲｕ・ＡＦＣ膜７３、およびこのＲｕ・ＡＦＣ膜７３の上に形成された第２の強磁性膜７４を有している。２層の強磁性固定膜７２、７４は、強磁性自由層９０の形成時に印加された磁界に対して約９０度回転した印加磁界中に形成される。
【００１７】
鉄−マンガン（Ｆｅ−Ｍｎ）反強磁性膜６６は、第２の強磁性固定膜７４上に形成されてこの第２の強磁性固定膜７４と交換結合する。他の好適な反強磁性層には、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、およびＮｉ−Ｍｎがある。最後に、キャップ層６７がＦｅ−Ｍｎ反強磁性膜６６上に形成される。好適なキャップ材料は、Ｔａ、ジルコニウム（Ｚｒ）、ＣｕとＡｕの合金、あるいは、他の酸化物のような高抵抗材料である。
【００１８】
また、図３は、磁気記録装置においてこのスピン・バルブ磁気抵抗効果センサを検知回路に接続する手段についても概略的に示している。該センサと、電流源８２および検出手段８４との間に回路を形成するため、リード線８０が設けられている。当該技術分野では周知のように、最適なセンサ反応回路を得るためには、横バイアス層および縦バイアス層のようなセンサ素子（不図示）をさらに必要なことがある。記録媒体の磁気信号は、検出手段８４によって検出される。この検出手段８４は、積層強磁性自由層９０の磁化方向が、記録媒体からの磁気信号に応答して、積層強磁性固定層７０の固定磁化方向に対して回転するのに伴って変化するセンサの抵抗を検出する。
【００１９】
積層強磁性固定層７０の２層の強磁性膜７２、７４は、それぞれ矢印７６、７８によって示された磁化方向を有している。２層の強磁性膜７２、７４の磁気モーメントは、Ｒｕ・ＡＦＣ膜７３を介した反強磁性結合によって反平行配置となる。この反強磁性結合のため、また、２層の強磁性膜７２、７４がほぼ同じ厚さを有しているため、強磁性膜のそれぞれの磁気モーメントは互いに相殺され、その結果、積層固定層７０にはネット磁気モーメントが本質的になくなる。従って、積層固定層７０には本質的に双極磁界が発生せず、また、積層強磁性自由層９０におけるネット磁気モーメントの方向に影響を与える磁界は存在しない。
〈磁気トンネル接合装置〉
ＭＴＪ装置を図４に示す。積層強磁性固定層１１８は、非強磁性Ｒｕ・ＡＦＣ膜２１０によって分離された２層の強磁性膜２００、２２５のサンドイッチ構造からなる。非強磁性Ｒｕ・ＡＦＣ膜２１０は、強磁性膜２００、２２５の磁気モーメントが互いに反平行に配置されるように強磁性膜２００、２２５を反強磁性的に結合する。積層強磁性固定層１１８の２層の強磁性膜２００、２２５は、反強磁性結合膜２１０を介する反強磁性交換結合によって反平行となる磁気モーメントを有している。この反強磁性結合のため、また、２層の強磁性膜２００、２２５がほぼ同じ膜厚とされているため、強磁性膜のそれぞれの磁気モーメントは、本質的に互いに相殺され、その結果、強磁性固定層１１８には本質的にネット磁気モーメントは存在しない。従って、本質的に強磁性固定層１１８によって双極磁界は発生せず、また、強磁性自由層すなわち強磁性センス層１３２の磁化方向に影響を与える磁界はない。
【００２０】
強磁性膜２００、２２５をそれぞれ厳密に同じ膜厚に正確に形成することは不可能なので、強磁性固定層１１８のネット磁気モーメントは、通常の蒸着工程の自然な結果として小さな、しかしゼロではない値となると考えられる。下部強磁性膜２００は反強磁性交換層１１６の上に形成される。この反強磁性交換層１１６によって強磁性膜２００に交換バイアスが付与され、その結果、強磁性膜２００の磁気モーメントは、所定の範囲内における磁界の下で回転することが防止される。強磁性膜２２５は、強磁性膜２００に反強磁性的に結合されるので、この強磁性膜の磁気モーメントも回転が防止される。
【００２１】
同様に、強磁性自由層１３２は、薄い非強磁性ＡＦＣ膜２６０によって分離された２層の強磁性膜２４５、２７０からなり、非強磁性ＡＦＣ膜２６０は強磁性膜２４５、２７０の磁気モーメントを反強磁性的に結合する。
【００２２】
図４のＭＴＪ装置において、積層された強磁性固定層１１８と強磁性自由層１３２は非磁性スペーサ１２０によって分離されている。非磁性スペーサ１２０は、トンネル・バリア絶縁層であって、典型的にはアルミナから形成されている。ＭＴＪ装置が磁気抵抗効果記録ヘッドとして使用される場合、強磁性固定層と強磁性自由層を構成する強磁性膜の磁気モーメントは、ＳＶ・ＧＭＲヘッドを示す図３に示すような向きとなっている。しかしながら、ＭＴＪ装置が磁気記憶素子として使用される場合、積層された強磁性層１１８、１３２におけるそれぞれの強磁性膜の磁気モーメントは、反平行の配置となるが、強磁性膜２４５、２７０の磁気モーメントは、剛性単体として一緒に回転し、その結果、強磁性自由層１３２のネット磁気モーメントは、強磁性固定層１１８のネットモーメント(矢印２８２)に対して、平行（矢印２８０）あるいは反平行（矢印２８１）となる。
〈好適な実施例〉
本発明は、上記と同様の磁気装置であるが、ＡＦＣ膜はＲｕ−Ｆｅ合金から形成される。ＡＦＣ磁気記録ディスクの構造は、典型的には、
基板＼シード層＼下地層＼強磁性層１＼ＡＦＣ膜＼強磁性層２＼保護膜
である。
【００２３】
ＡＦＣ膜としてＲｕ−Ｆｅ合金を使用することによって、２層の強磁性層間における交換結合が実質的に大きくなる。
【００２４】
ＡＦＣ膜としてのＲｕ６５Ｆｅ３５の合金（下付き数字は原子パーセントを示す）の場合について、裏面側強磁性層に作用する交換磁界（Ｈｅｘ）を測定した結果、強磁性層１、２に対して同じ強磁性合金および同じ膜厚を使用したとき、純粋のＲｕ・ＡＦＣの場合に１５７５ Ｏｅであるのに対して２７５０ Ｏｅであった。図２を参照することによって、より大きいＨｅｘは、より厚くおよび／またはより大きい飽和保磁力の材料を裏面側強磁性層に使用できることを意味することが理解できるであろう。また、得られた構造体はより安定的である。
【００２５】
図５は、下記の構造、すなわち、
基板＼ＣｒＴｉ５０＼ＲｕＡｌ＼ＣｒＴｉ２０＼強磁性層ＣｏＣｒ１０＼ＲｕまたはＲｕ６５Ｆｅ３５のＡＦＣ膜＼強磁性層ＣｏＰｔ１２Ｃｒ１６Ｂ９＼保護膜ＣＮｘ
に対するＡＦＣの膜厚の関数としての飽和保磁力を示す図である。
【００２６】
Ｒｕ−Ｆeで形成されたディスクの飽和保磁力がＲｕで形成されたものより大きいのは、Ｒｕ−Ｆｅ・ＡＦＣ膜によって得られる結合強度がより大きいからである。反強磁性交換結合強度の大きいことによる利点には、裏面側強磁性層のＭｒｔを大きくする能力、およびＡＦＣ膜と接触した低モーメント強磁性層を使用する際の適応性が大きいことが挙げられる。
【００２７】
改良されたＡＦＣ膜に対する組成範囲はＲｕ１００−ｘＦｅｘであり、ここで、ｘは約１０原子パーセントから約６０原子パーセントの間である。この合金中間層は、交換結合を２倍まで大きく、また、ｈｃｐ結晶構造を有しており、その結果、現行のディスク構造と互換性がある。この範囲の下限は、交換結合の増大がそれとわかるときのＦｅの原子パーセントであり、また、この範囲の上限は、Ｒｕ−Ｆｅ合金が強磁性になり、および／またはそのｈｃｐ結晶構造を喪失するときである。
【００２８】
図２および図３は、強磁性自由層および強磁性固定層の両方が本発明による積層構造を備えた磁気装置を示している。しかしながら、強磁性自由層および強磁性固定層のいずれか一方が積層構造であっても本発明の範囲内である。
【００２９】
本発明は、好適な実施例を参照して詳しく示しかつ説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および細部を変更できることは当業者には理解できるであろう。従って、開示された発明は、単に説明のためであり、かつ、特許請求の範囲によってのみ範囲が制限されると考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】Ｒｕ・ＡＦＣ膜を有するＡＦＣ磁気記録ディスクの概略図である。
【図２】図１と同様のＡＦＣ磁気記録ディスクに対するＭ−Ｈヒステリシス・ループを示すグラフである。
【図３】積層された反強磁性結合強磁性自由層および同固定層を有するＳＶ磁気抵抗効果センサの概略図である。
【図４】積層された反強磁性結合強磁性自由層および同固定層を有するＭＴＪ装置の概略図である。
【図５】従来のＲｕ・ＡＦＣ膜を有するＡＦＣ磁気記録ディスクおよび本発明のＲｕ−Ｆｅ合金ＡＦＣ膜を有するＡＦＣ磁気記録ディスクにおけるそれぞれの飽和保磁力を、Ｆｅの原子パーセントを種々変えて比較したグラフである。
【図１】
2005019990.tif 000003
【図２】
2005019990.tif 000004
【図３】
2005019990.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005019990.tif 000007